Kompenzace setrvačných sil při měření sil

Při dynamickém zatěžování zkresluje hmota připojovacích součástí měřící signá, dokonce i pokud ještě vzorek není připojen.

Při dynamickém zatěžování zkresluje hmota připojovacích součástí měřící signá, dokonce i pokud ještě vzorek není připojen.

Mechanický model dynamického snímače síly

Mechanický model dynamického snímače síly

Blokové schéma kompenzace dynamických sil

Blokové schéma kompenzace dynamických sil

Princip testů pro určení kompenzačních parametrů

Princip testů pro určení kompenzačních parametrů

Kompenzací „stáhnete“ setrvačné síly zpět na hodnotu statické síly.

Kompenzací „stáhnete“ setrvačné síly zpět na hodnotu statické síly.

Dynamické síly jsou v oblasti průmyslového zkušebnictví velice rozšířeny. Měření těchto sil je přesnější, když jsou kompenzovány setrvačné síly připojovacích součástí. Jak se taková kompenzace provádí pomocí integrovaných akcelerometrů ve snímačích síly Série DR je popsáno v následujícím textu. Výhodou přitom je, že není třeba znát hmotnosti připojovacích součástí ani jejich zrychlení.

Problém setrvačné hmoty

Účinky způsobené setrvačnými hmotami se objevují při dynamických zkouškách v důsledku zrychlení montážních součástí, například úchytů nebo držáků vzorků. Kromě požadované testovací síly Ftest generuje dynamické buzení nežádoucí setrvačnou sílu Finert jako produkt hmotnosti a zrychlení montážních součástí. Finert tak zkresluje naměřenou hodnotu síly Fmeas. Snímač síly přitom nemůže rozlišit, zda se jedná o síly působící na vzorek nebo nežádoucí setrvačné síly.

Fmeas = Ftest + Finert

Měřením zrychlení v osách měření síly je možné určit nežádoucí sílu Finert a kompenzovat ji pomocí vyvažovací síly Fcomp:

Fmeas = Ftest + Finert + Fcomp

Pokud Fcomp = - Finert získáme správné měření požadované zkušební síly na vzorku:

Fmeas = Ftest

Mechanický model

Tento model se skládá ze tří složek: pohon (např. hydraulický válec), siloměru s integrovanými MEMS senzory zrychlení a montážních součástí s jejich pohybující se hmotností (MEMS = Micro Electro Mechanical System).

• Montážní součásti (= pohyblivá hmota) musí být namontovány na "oscilační straně" snímače síly.
• Snímač síly musí být namontován svojí "pevnou stranou" k pohonu.

Základní experimentální nastavení pro kompenzaci

Tenzometry použité ve snímači síly jsou spojeny do Wheatstonova můstku a převádějí mechanické zatížení do elektrického signálu. V závislosti na vašich požadavcích použijte přesný tenzometrický zesilovač s analogovým nebo digitálním výstupním signálem. Systém používaný pro zpracování elektrických signálů (ESV) musí být schopen rozpoznat a zpracovat hodnoty špička-špička naměřeného dynamického signálu. Použitím hodnot špička-špička se eliminuje vliv různých fázových úhlů od signálů použitých pro kompenzaci.

Snímače zrychlení jsou ve snímačích Série DR umístěny co nejblíže k ose měření síly. MEMS sensory přeměňují zrychlení na elektrické výstupní napětí. Jedná se o ratiometrické systémy, takže výstupní napětí je přímo závislé na napájecím napětí. Proto je nezbytné zajistit stabilní napájení. I zde musí měřicí systém umět vypočítat hodnoty špička-špička výstupního signálu.

Stanovení kompenzace

Určení kompenzačních parametrů musí být provedeno s hmotností montážních součástí, avšak bez zkoušeného objektu. Během experimentu musí být Ftest nulový.

K určení nastavení Fcomp by měl být systém vybuzen nad celým kmitočtovým rozsahem pomocí harmonických zatěžovacích cyklů. Přitom zaznamenejte signál Fmeas, který ve volně oscilačním stavu odpovídá nekompenzované setrvačné síle Finert, protože vzorek ještě není připojen. Také zachyťte příslušný signál akcelerometru. V sérii testů měňte amplitudu a frekvenci podle vašich požadavků.

Příklad:

Popis

 Síla

 Zrychlení

Proměnná

 FinertSS

 aySS

Jednotky (Příklad)

 V

V

Snímač síly s připojovacími součástmi, staticky

 0

 0

 Test 1

 3

 2

 Test 2

 6

 4

 Test 3

 9

 6

Vypočtěte parametr proporcionality pro kompenzaci.

V příkladu to odpovídá:   FinertSS = 3/2 · aySS

V závislosti na vašich zkušebních požadavcích (amplituda, frekvence) může být nutné vypočítat nejen lineární korekci, ale i polynom druhého nebo vyššího řádu. Porovnejte měřící signál a akcelerační signál podle:

Fcomp = - Finert

Výsledkem je, že Fmeas je nulová v celé oblasti testu. Kompenzace "stahuje" setrvačné síly zpět na hodnotu statické síly.

Po stanovení a použití nastavení kompenzace může být vzorek nyní pevně upnut. Naměřená síla Fmeas již není ovlivněna nežádoucími setrvačnými silami.